离子束技术简介
离子束加工
离子注入：
采用5~500Kev的较高能量的离子束，直接垂直轰 击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻进被加 工材料的表面层，工件表面层含有注入离子后，就改变 了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理和化学 性能，称离子注入为表面改性。
3.离子束加工的特点
1）离子束是所有特种加工方法中最精密、最微细的加 工方法，离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度，是当代 纳米加工技术的击出。
离子注入在半导体方面的应用，在国内外都很普遍， 它是用硼、磷等杂质离子注入半导体，制造p-n结，目前 成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。
离子注入改善金属表面性能正在形成一个新型的领域。 利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，可以制 的新的合金，从而可制的新的合金，从而改善金属表面的 抗蚀性能、抗疲劳性能、润滑性能和耐磨性能。
离子束加工设备： 主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源部分； 离子源用以产生离子束流，产生离子束流的基本 原理和方法是使原子电离。具体办法是把要电离的 气态原子（氩等惰性气体或金属蒸汽）注入电离室， 经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击， 使气态原子电离为等离子体（正离子数和负离子数 相等的混合体）用一个相对于等离子体为负电势的 电极，就可从等离子体中引出正离子束流。
2.离子束加工分类 根据物理效应和达到的目的不同分类；
利用离子撞击的离子刻蚀；
利用能量为0.5~5Kev的氩离子倾斜轰击工件，将工 件表面的原子逐个剥离，其实质是一种原子尺度的切削加 工，又称离子铣削。
离子溅射沉积： 利用能量为0.5~5Kev的氩离子倾斜轰击某种材料
制成的靶，离子将靶材原子击出，垂直沉积在靶材附近 的工件上，使工件表面镀上一层薄膜，溅射沉积是一种 涂膜工艺。
离子束和等离子体加工
离子束和等离子体加工的原理和特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。
1.离子束加工的基本原理所谓离子束抛光, 就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中, 用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热, 使之电离成为正离子, 再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速, 使它们具有一定的能量。
利用电子透镜聚焦，将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流，在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面, 从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。
用这种方法对工件表面进行深度从100 埃到10微米左右的精密加工。
2.等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气体去除材料的。
等离子体又被成为物质的第四种状态。
等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为等离子体，具有极高的能量密度。
3. 离子束加工主要的特点（1）属于原子级逐层去除加工，加工精度高（2）加工生产污染小（3）加工应力、变形小（4）加工范围广（利用机械碰撞能量加工）（5）易实现自动化（6）设备复杂、价格贵4. 等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热，因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。
因此，等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面；等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。
等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。
适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。
5.离子束抛光的典型应用离子束抛光是 1965 年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。
目前，美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备，并应用于生产。
此外，日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术。
离子束技术简介
样品平板式等离子刻蚀装置示意图8912惰性气体131518图7. 离子入射材料表面形成原子溅射的级联碰撞模型24几种材料的刻蚀速率与离子入射角度的关系E=500 eV, J=1.0 mA/cm2）图9. RIBE刻蚀SIO离子束入射角对槽形轮廓的影响2打在倾斜侧壁上面的入射离子处于大角度的入射状态，表现出入射离子的高反射率，一部分会被发射到槽底。
这些反射向槽底某一部位的离子与正常入射的束离子之和造成入射离子通量的局部超出，导致该部位的刻蚀速率高于其他槽底部位，形成图4.5 光刻胶掩模为半圆截面的石英刻蚀演化过程—刻蚀速率已知，并且稳定。
最常用的方法—光谱法、质谱法+质谱谱线的变化图2 SiF339等厚干涉法原理与装置等厚条纹错位反映刻蚀深度刻蚀之前 楔形陪片He-Ne laserd初始的干涉 条纹刻蚀之后He-Ne laserd条纹发生 错位楔形平板厚度减小，导致等厚条纹发生平 移，厚度减小量 h 与条纹移动量的关系为：hh0c ×m ,m d0,1, 2,Lh ch0 2nh0: 一个干涉条纹所对应的深度 d: 干涉条纹间距c: 刻蚀一定深度后引起的干涉条纹的4移1 动量等厚干涉法原理与装置计算公式相邻等厚条纹之间对应的楔形平板厚度差为h0：h0 2 n楔形平板厚度减小，导致等厚条纹发生平移，厚度减 小量 h 与条纹移动量的关系为：hh0c ×m ,m d0,1, 2,L42等厚干涉法原理与装置离子束 挡板43二、原理与装置等厚条纹错位的实际照片44二、原理与装置在线检测系统全图（俯视图）1：刻蚀机真空室； 2：离子源； 3：离子束； 4：工作台； 5：陪片； 6：正式基片； 7：离子束阑与石墨挡板； 8：一对平面反射镜； 9：观察窗； 10：检测光源； 11：分束镜； 12：凸透镜； 13：面阵CCD； 14：采集卡与计算机。
45离子源 离子束阑正式基片 工作台二、原理与装置真空室内部件示意图（俯视图）xy z46观察窗口挡板 陪片二、原理与装置 正式基片、陪片与挡板的位置关系工作台往返移动A BDABCCE47二、原理与装置挡板及其夹具48二、原理与装置挡板与陪片的距离A B陪片挡板A B陪片挡板49二、原理与装置等厚条纹位置的确定50。
特种加工技术离子束加工技术
用能量为0.5~5keV的氩离子轰击某种材 料制成的靶，离子将靶材原子击出，沉积在 靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄 膜。
3) 离子镀(又称离子溅射辅助沉积)
用能量为 0.5~5keV的氩离子同时轰 击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材 与工件基材之间的结合力。
4) 离子注入
离子束加工装置 离子束加工装置包括离子源、真空系统、
控制系统和电源等部分 离子源常用的有考夫曼型离子源和双等离
子管型离子源
考夫曼型离子源Βιβλιοθήκη 考夫曼型离子源 双等离子体型离子源
离子束加工
应用举例
离子镀膜设备和技术因其生产效率高，成本
低，操作简便，无污染等特点正逐步为人们所认 识和接受，在功能性和装饰性涂层领域，离子镀 膜设备正发挥着无可替代的作用。
镀TiCN 220000件
100000次 是未镀顶杆的50倍 镀TiCN+MoST
12000件
镀TiCN+MoST 600000件
应用对象 工作条件
未镀层时使用寿命 镀层后使用寿命
钻头
钻头材料：高速 镀层类型：MoS 工件材料：铝硅合金 润滑条件：5％冷却液
7000转/分 时立即失效
7000转/分 时钻100孔后失效
用能量为5~500keV的离子束直接轰 击被加工材料，由于离子能量相当大，离 子就钻入被加工材料的表层。工件表面层 含有注入离子后，就改变了化学成分，从 而改变了工件表面层的机械物理性能。
离子蚀除 溅射沉积
离子镀 离子注入
8.3.3 离子束加工特点
1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、 最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离 子镀膜可控制在亚微米级（0.001μm）精度， 它是纳米加工技术的基础，离子注入的深度和 浓度亦可精确地控制。
离子束技术及其应用
离子束技术及其应用合肥研飞电器科技有限公司一．离子束技术简介1．离子源构成及原理如图1所示，在一个真空腔体中,用气体放电产生一团等离子体，再用多孔（缝）引出电极将等离子体中的离子引出并加速形成离子束。
图1 离子源构成原理示意图。
图2 单孔引出电极构成原理示意图。
2．离子束的品质因素引出电极的单孔构成原理如图2所示，它决定了离子束的品质因数，即导流系数（设计最佳化）、能耗、运行气压和气体效率。
其中导流系数由下式决定：202302max 294⎪⎭⎫ ⎝⎛==d D M eZ V D J P c πεπ (A/V 3/2)3．离子源的分类主要按等离子体产生的方法来分：● 有极放电，主要包括：考夫曼、潘宁、佛里曼(Freeman)、双压缩、双潘宁、射频容性耦合离子源；● 无极放电，主要包括：微波ECR 、射频感性耦合（ICP ）离子源； ● 其它离子源，例如：束—等离子体离子源。
二． 离子束辅助沉积薄膜技术1．离子束辅助的重要性A ．新的挑战:随着有机光学元件基片材料的采用和光纤通信工业应用中提出了更高的技术要求，以及提供相应的多层光学涂层薄膜，越来越需要发展新工艺。
B ．蒸发镀的局限性:虽然蒸发镀是光学涂层的主要制备方法，但它不能满足更高的致密性要求、改善机械性能和产品的快速生产等方面的要求。
2．离子辅助沉积众所周知，引入离子辅助沉积，在一定程度上能够改善热蒸发沉积薄膜的持久性和稳定性方面的性能。
这种工艺的功能已经在材料等许多领域被证明，当然它不一定能满足一些涂层应用的特殊要求。
市场上可以买到的离子源仅能提供低的离子流和窄的束径，限制了可应用的基片面积。
3．该应用离子束的特点：离子能量低（100eV －1000eV ）；大流强（数mA/cm 2）；要求流强受离子能量影响小；高真空（～10 -5乇）；离化率、电效率、气体效率高；杂质量低；寿命长（抗氧化）、操作容易、维护方便。
4．新型ICP 离子源的研制A.前 言● 离子源广泛应用于材料改性、刻蚀和薄膜沉积领域；● 射频感应耦合等离子体（RF ICP）源结构简单、能产生高密度的纯净等离图4 离子辅助电子束蒸发镀 膜装置示意图子体、使用寿命长、以及性能价格比好（见图5和图6）。
高科技的杀菌法宝：离子束的杀菌原理探讨
高科技的杀菌法宝：离子束的杀菌原理探讨离子束技术是一种应用于杀菌领域的高科技手段，其杀菌效果优于传统的杀菌方法，具有杀菌速度快、效果显著、无污染等优点。
本文将针对离子束的杀菌原理进行探讨。
离子束是由高能离子组成的束流，通过将离子加速至高速，在离子与物质相互作用过程中释放出巨大的能量，达到杀灭细菌的目的。
离子束的杀菌原理主要体现在以下三个方面：一、离子束的能量效应离子束的高能量使其具有强大的穿透力和破坏性。
在离子束与细菌接触过程中，离子的能量会被细菌吸收，导致细菌内部的分子结构和生物活性发生变化，破坏其细胞壁和细胞膜，使其无法正常运作。
离子束的能量效应还能破坏细菌的核酸和蛋白质，进一步影响其生存和繁殖能力，从而杀灭细菌。
二、离子束的电荷效应离子束在击中靶标时会释放电荷。
细菌细胞的表面通常带有负电荷，而离子束中的正电荷离子会与细菌表面的负电荷相吸引，形成静电作用力。
离子束的电荷效应可以使细菌表面的蛋白质和生物大分子发生变性和凝固，导致细菌失去正常功能，从而达到杀菌的目的。
三、离子束的致突变效应离子束在击中细菌时产生更大的沉积能量，会造成细菌DNA的直接断链或位点突变。
这是由于离子在细菌内部释放大量能量，导致细胞核酸的瞬时过热或离解，引起DNA断裂或产生大量碱基的缺失、添加和置换。
这些突变将导致细菌的遗传物质发生混乱，进而使其无法进行正常的遗传信息传递和DNA复制，最终导致细菌的死亡。
离子束技术在杀菌领域中有着广泛的应用。
在食品加工领域，离子束杀菌技术可以有效杀灭食品中的病原菌和微生物污染，提高食品的安全性和质量。
在医疗领域，离子束杀菌技术可以用于灭菌手术刀和各种医疗器械的消毒，减少交叉感染的风险。
此外，离子束技术还可以用于水处理、空气净化等领域，实现对水源、空气中的微生物的有效杀灭。
然而，离子束杀菌技术也存在一些挑战和问题。
首先，离子束设备的成本较高，使用起来相对复杂，需要专业技术人员进行操作和维护。
聚焦离子束刻蚀技术的使用方法
聚焦离子束刻蚀技术的使用方法离子束刻蚀技术，简称IBE，是一种通过在材料表面轰击离子束来进行蚀刻的方法。
它具有高精度、高速度和高选择性等优点，在半导体、光学器件、纳米科技等领域得到广泛应用。
本文将聚焦离子束刻蚀技术的使用方法，介绍其原理、设备和操作流程，以及在纳米科技中的应用。
第一部分：离子束刻蚀技术的原理和设备离子束刻蚀技术是利用离子束的物理和化学作用在材料表面进行蚀刻的方法。
离子束源产生的离子束经过加速、聚焦和对准等步骤，最终对材料表面进行打击。
离子束刻蚀设备由离子源、加速器、对准系统、蚀刻室和控制系统等组成。
离子源常见的有离子发生器、离子注入机和反应离子束刻蚀机。
加速器可以将离子束加速到较高能量，对材料表面产生更强的影响。
对准系统用于调整离子束的入射角度和位置，确保蚀刻效果的精度。
第二部分：离子束刻蚀技术的操作流程离子束刻蚀技术的操作流程可以分为前处理、设备调试、蚀刻和后处理四个步骤。
前处理主要包括样品的清洗和表面处理。
清洗样品是为了去除表面的污染和杂质，表面处理则是为了改变材料表面的性质，提高刻蚀效果。
设备调试是为了保证离子束刻蚀设备的正常运行和蚀刻效果的稳定。
调试包括离子源的调整、加速器的能量校准和对准系统的定位等。
蚀刻是离子束刻蚀技术的核心步骤。
在蚀刻室中，将清洁的样品放置在靶标台上，调整离子束的能量和入射角度，开始蚀刻。
蚀刻时间和参数的选择取决于材料的特性和所需的刻蚀深度。
后处理主要包括样品的清洗和检测。
清洗样品是为了去除刻蚀残留物，检测则是为了验证刻蚀效果和质量。
第三部分：离子束刻蚀技术在纳米科技中的应用离子束刻蚀技术在纳米科技中有广泛的应用。
例如，在纳米加工中，离子束刻蚀可以用于制作纳米器件的纳米线、纳米孔和纳米结构等。
通过调整离子束的能量和入射角度，可以实现精确的纳米加工。
离子束刻蚀技术还可以用于纳米材料的表面改性和功能化。
通过调整离子束的能量和组分，可以在纳米材料的表面形成纳米结构和纳米孔洞，改变其物理和化学性质。
离子束生物工程技术简介
离子束生物工程技术简介中科院等离子体物理研究所从上世纪80年代末开创了离子束生物工程学这一交叉学科，利用低能离子束与生物体相互作用原理，发明了离子束生物工程改良品（菌）种的方法。
离子束生物学在国家自然科学基金重点、重大项目及国家“八五”、“九五”、“十五”“十一五”重点科技攻关项目、“863”项目、农业成果转化基金等和中国科学院及安徽省科技项目支持下，经过多年发展，基础研究和应用研究取得了一系列创新成果，创造了显著的社会经济效益。
八十年代中，正当国内外兴起离子注入材料表面改性研究时，中国科学院等离子体所与安徽农业科学院水稻研究所科技人员用30keV的氮离子注入水稻干种子后发现显著的诱变效应，以后又陆续发现一些新现象：如注入离子在种子里长距离穿射和高速率溅射，低能离子与生物分子相互作用只要反应体系里有氮参与都有一定的几率形成氨基酸，以及离子注入条件下出现的生物反常辐照损伤、当代可遗传突变等等现象。
这些现象后来被国内外科学家所证实。
例如，低剂量下生物体呈现的“反常辐照损伤”（hyper-radiosensitive response，HRS’）现已成为辐射生物学研究的热点之一。
因此，低能离子与生物体相互作用是一个客观存在的有重大应用背景的科学问题。
这一科学问题的提出和研究在有关论著中得到高度评价。
《核技术》（科学出版社）认为：“余增亮小组利用核物理实验方法、手段、概念探索离子注入生物体后产生的物理和生物现象…，形成了很强的交叉领域，孕育着交叉学科”。
杨垂绪（美）在《太空放射生物学》（中山大学出版社）中将此列为重离子生物学发展的一个阶段，并做了详细介绍。
丘冠英在《生物物理学》（武汉大学出版社）一书中认为：这“形成了辐射生物学的一个新领域－低能重离子生物学，引起了国内外的关注”离子束生物技术具有很多优点：一是诱变的变异频率高，可选择注入的离子种类多样，而且其质量、能量、电荷可有多种组合，所以其产生的诱变结果和效应也是多种多样的；二是变异谱宽，离子束能产生较高的电离密度，使DNA产生严重损伤，其作用于植物体后可获得较高的变异频率和较广的突变谱，易于筛选出先新的突变体；三是变异稳定快，离子注入造成的损伤不以修复，突变体稳定较快；四是技术稳定可靠，简单易得，经加速后的离子具有一定的静止质量，注入生物体后可以使质量、能量、电荷共同作用于生物体。
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样品平板式等离子刻蚀装置示意图
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惰性气体
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图7. 离子入射材料表面形成原子溅射的级联碰撞模型
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几种材料的刻蚀速率与离子入射角度的关系E=500 eV, J=1.0 mA/cm2）
图9. RIBE刻蚀SIO
离子束入射角对槽形轮廓的影响
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打在倾斜侧壁上面的入射离子处于大角度的入射状态，表现出入射离子的高反射率，一部分会被发射到槽底。
这些反射向槽底某一部位的离子与正常入射的束离子之和造成入射离子通量的局部超出，导致该部位的刻蚀速率高于其他槽底部位，形成
图4.5 光刻胶掩模为半圆截面的石英刻蚀演化过程
—刻蚀速率已知，并且稳定。
最常用的方法—光谱法、质谱法
+质谱谱线的变化
图2 SiF
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等厚干涉法原理与装置
等厚条纹错位反映刻蚀深度
刻蚀之前 楔形陪片
He-Ne laser
d
初始的干涉 条纹
刻蚀之后
He-Ne laser
d
条纹发生 错位
楔形平板厚度减小，导致等厚条纹发生平 移，厚度减小量 h 与条纹移动量的关系为：
h
h0
c ×m ,m d
0,1, 2,L
h c
h0 2n
h0: 一个干涉条纹所对应的深度 d: 干涉条纹间距
c: 刻蚀一定深度后引起的干涉条纹的4移1 动量
等厚干涉法原理与装置
计算公式
相邻等厚条纹之间对应的楔形平板厚度差为h0：
h0 2 n
楔形平板厚度减小，导致等厚条纹发生平移，厚度减 小量 h 与条纹移动量的关系为：
h
h0
c ×m ,m d
0,1, 2,L
42
等厚干涉法原理与装置
离子束 挡板
43
二、原理与装置
等厚条纹错位的实际照片
44
二、原理与装置
在线检测系统全图（俯视图）
1：刻蚀机真空室； 2：离子源； 3：离子束； 4：工作台； 5：陪片； 6：正式基片； 7：离子束阑与石墨
挡板； 8：一对平面反射镜； 9：观察窗； 10：检测光源； 11：分束镜； 12：凸透镜； 13：面阵CCD； 14：采集卡与计算机。
45
离子源 离子束阑
正式基片 工作台
二、原理与装置
真空室内部件示意图（俯视图）
xy z
46
观察窗口
挡板 陪片
二、原理与装置 正式基片、陪片与挡板的位置关系
工作台往返移动
A B
D
A
B
C
C
E
47
二、原理与装置
挡板及其夹具
48
二、原理与装置
挡板与陪片的距离
A B
陪片
挡板
A B
陪片
挡板
49
二、原理与装置
等厚条纹位置的确定
50
。